JP2012052891A

JP2012052891A - 樹脂モールド部品の内部応力計測方法

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Publication number: JP2012052891A
Application number: JP2010195048A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Fujimoto; 雅大藤本; Takaya Yamamoto; 貴也山本; Shingo Nakamura; 慎吾中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-15

Abstract

【課題】本発明は、樹脂モールド部品の内部応力の大きさ、方向を明確に計測する技術を提供することを課題とする。
【解決手段】半導体素子２を二つの金属板３・３で挟み込み、熱硬化性樹脂５で樹脂モールドして得られる樹脂モールド部品１の内部応力を計測する方法であって、外力によって変形し、かつ、熱硬化性樹脂５の熱硬化温度での耐熱性を有するゴム球体１１・１１・・・を金属板３・３の間に配置した状態で樹脂モールドし、各ゴム球体１１の変形状態を非破壊検査によって検出することによって、ゴム球体１１にかかる主応力の方向及び大きさを計測することによって、ゴム球体１１・１１・・・が配置される部位の内部応力を計測する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子を二つの金属板で挟み込んだ状態で樹脂モールドして得られる部品の内部応力を計測する技術に関する。

インバータ、パワーモジュール等の電子部品は、二つの金属板で半導体素子を挟みその周囲を樹脂でモールドすることによって得られる。樹脂のモールド条件によっては、硬化収縮等の要因により金属板と樹脂間に剥離が発生することが知られている。そこで、剥離を起こさないモールド条件を知る手段として、樹脂モールドの内部応力の大きさ、方向を計測する技術が求められている。

特許文献１には、樹脂モールド内に硬質磁性粉末を添加し、樹脂モールド後の磁束密度を計測して、内部応力に換算する技術が開示されている。
しかしながら、金属板が磁束に影響を与えるため、この技術では樹脂単体のものにしか適用できない。さらに、樹脂の収縮は周囲の環境に影響を受けると考えられているため、本願のように金属板を内部に封入する電子部品には不適である。

また、ひずみゲージを用いて応力を計測する方法も提案されているが、ひずみゲージからの配線の取り回しが困難であるうえ、反復して計測できないという難点がある。
以上のように、従来技術では、半導体素子及び金属板を含む樹脂モールドの内部応力の大きさ、方向を明確に計測する技術はなかった。

特開平３−３５１３６号公報

本発明は、樹脂モールド部品の内部応力の大きさ、方向を明確に計測する技術を提供することを課題とする。

本発明の樹脂モールド部品の内部応力計測方法の第一態様は、半導体素子を二つの金属板で挟み込み、熱硬化性樹脂で樹脂モールドして得られる樹脂モールド部品の内部応力を計測する方法であって、外力によって変形し、かつ、前記熱硬化性樹脂の熱硬化温度での耐熱性を有する球体を前記二つの金属板の間に配置した状態で樹脂モールドし、前記球体の変形状態を非破壊検査によって検出することによって、前記球体にかかる主応力の方向及び大きさを計測することによって、前記球体が配置される部位の内部応力を計測する。

前記熱硬化性樹脂の熱硬化温度以下で溶融する熱可塑性樹脂からなる保持治具を用いて、前記球体を前記二つの金属板間に保持することが好ましい。

本発明の樹脂モールド部品の内部応力計測方法の第二態様は、半導体素子を二つの金属板で挟み込み、熱硬化性樹脂で樹脂モールドして得られる樹脂モールド部品の内部応力を計測する方法であって、直交する三軸方向の圧力を計測可能であり、かつ、計測データを無線出力可能なセンサ体を前記二つの金属板の間に配置した状態で樹脂モールドし、前記センサ体から三軸方向の圧力に関する出力データを受信することによって、前記センサ体にかかる主応力の方向及び大きさを計測することによって、前記センサ体が配置される部位の内部応力を計測する。

前記熱硬化性樹脂の熱硬化温度以下で溶融する熱可塑性樹脂からなる保持治具を用いて、前記センサ体を前記二つの金属板間に保持することが好ましい。

本発明によれば、樹脂モールド部品の内部応力の大きさ、方向を明確に計測できる。

計測対象である樹脂モールド部品を示す図である。樹脂モールド部品の内部応力を計測する一形態を示す図である。ゴム球体の変形を検出する様子を示す図である。ゴム球体の応力特性を示すマップである。樹脂モールド部品の内部応力を計測する別形態を示す図である。センサ体による内部応力の計測の様子を示す図である。

本発明に係る樹脂モールド部品の内部応力計測方法の計測対象である樹脂モールド部品１は、インバータ等の電子部品であり、図１に示すように、半導体素子２と、半導体素子２を両側面から挟み込む金属板３・３と、を金型４を用いて樹脂５で封止したものである。

半導体素子２は、例えば可変容量ダイオード等のダイオード、ＩＧＢＴ等のトランジスタであり、樹脂モールド部品１の主たる機能を果たすデバイスである。
金属板３は、銅、アルミニウム等の金属により構成されるプレートであり、表面に半導体素子２との電気的な接続に用いられる回路が形成される。また、金属板３は半導体素子２を冷却するヒートシンクとしても機能する。なお、金属板３は、半導体素子２の金属板３との当接面よりも大きな面積を有しており、金属板３と金属板３とで半導体素子２を挟み込んだ状態では、半導体素子２の周囲には所定の空間が形成されている。

金型４は、樹脂封止する際の外枠となる部材であり、内部に所定のキャビティを画定するとともに、樹脂注入用の通路が設けられている。金型４は、開閉自在であり、型を閉じた状態で樹脂を注入し、所定時間保圧して樹脂モールドした後、型開きされて、樹脂モールド部品１が取り出される。
樹脂５は、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂であり、金型４の内部に流し込まれた後、所定の温度まで加熱されることによって硬化し、樹脂モールド部品１の外形を形成する。

［第一実施形態］
以下、図２〜図４を参照して、本発明の第一実施形態に係る樹脂モールド部品の内部応力を計測する方法について説明する。

図２（ａ）に示すように、樹脂モールド部品１を樹脂モールドする前に、金属板３・３間に、つまり金属板３の表面から所定の距離を置いてゴム球体１１・１１・・・を配置する。各ゴム球体１１は、保持治具１２を介して所定位置に保持される。
より厳密には、ゴム球体１１・１１・・・は、計測エリアに配置されている。この「計測エリア」は、樹脂モールド部品１において金属板３と樹脂５との剥離が発生し易い領域、つまり金属板３・３間に挟まれる領域である。言い換えれば、計測エリアは、最適な樹脂モールド条件を導くために、樹脂５内において内部応力の大きさ、方向の計測が求められている領域である。

ゴム球体１１は、樹脂５の熱硬化温度での耐熱性を有し、かつ、内部気体の温度による体積膨張を抑制する素材によって構成される薄肉ゴムの球体である。ゴム球体１１の内部には空気等の気体が封入されている。ゴム球体１１の素材としては例えばシリコン、フッ素ゴムが挙げられる。ゴム球体１１は、外力を受けて球体から楕円体に変形する。
保持治具１２は、樹脂５の熱硬化温度以下で溶融する。保持治具１２の一端は金属板３の表面に固定され、他端はゴム球体１１に固定され、これによりゴム球体１１を保持している。保持治具１２は、熱可塑性樹脂によって構成されており、例えばエポキシ系の熱可塑性樹脂からなる接着剤である。

図２（ｂ）に示すように、樹脂５を熱硬化させる樹脂モールド過程において、保持治具１２は溶融して消滅するとともに、保持治具１２によって所定位置に保持されていたゴム球体１１は、樹脂５内の計測エリアに残ることとなる。
図２（ｃ）に示すように、ゴム球体１１・１１・・・はそれぞれ所望の計測エリアに保持されつつ、樹脂５の熱硬化に起因する内部応力を受ける。各ゴム球体１１は、この内部応力の成分が最大となる方向（主応力の方向）を短手方向とする楕円体に変形する。
このように、保持治具１２を樹脂５の熱硬化温度付近で溶融する素材によって構成することによって、樹脂５のモールド時に保持治具１２を溶融させて消滅させることができ、ゴム球体１１を樹脂５内の所望位置に単独で配置することができる。すなわち、保持治具１２は、樹脂モールド部品１のモールド条件に影響を与えることがない。
従って、ゴム球体１１の球面全体で外力を受けることとなるため、ゴム球体１１に作用する外力を正確に検出することが可能である。また、ゴム球体１１の周囲の環境を一定にできるため、内部応力への影響を最低限に留め、ゴム球体１１での応力検出能力を向上できる。

以下、図３及び図４を用いて、ゴム球体１１・１１・・・に付与される外力を検出し、検出された外力から樹脂５に残留する内部応力を求める方法について説明する。
まず、図３に示すように、断層画像を撮像するＸ線ＣＴ、反響を映像化する超音波検査装置等の非破壊検査装置によって、多方向からゴム球体１１・１１・・・の変形形状を画像として検出する。そして、検出された複数の画像からゴム球体１１・１１・・・の短手方向を割り出し、外力によって変形したゴム球体１１・１１・・・の主応力の方向として決定する。
それと同時に、非破壊検査装置によって検出された画像からゴム球体１１・１１・・・の短手方向距離ｄ１・ｄ２・・・ｄｎを検出する。

次に、図４に示すように、予め実験等によって求められた検量線Ｌを用いて、ゴム球体１１の短手方向距離がｄ１・ｄ２・・・ｄｎとなるときの応力σ１・σ２・・・σｎをそれぞれ求める。
検量線Ｌは、ゴム球体１１に一方向から応力を付与し、付与する応力σの値を変化させてゴム球体１１を収縮させていく際に、応力σ及び短手方向距離ｄを計測しプロットすることによって一義的に決定されるものであり、ゴム球体１１に付与される応力σと短手方向距離ｄとの相関を示す線である。

以上のように、計測エリアに配置される各ゴム球体１１の変形状態における短手方向、及び短手方向距離ｄを非破壊検査装置によって検出することによって、各ゴム球体１１にかかる主応力の方向が決定され、主応力の大きさが導き出される。
すなわち、本計測方法によれば、樹脂モールド部品１内で所望の計測エリア、つまり各ゴム球体１１が配置される部位において、樹脂５の内部応力の方向及び大きさを明確に計測することが可能である。ひいては、所望の計測エリアでの内部応力を明確に計測できるため、剥離等の不具合の要因を探ることができ、不具合を起こさないような樹脂モールド条件（金型温度、樹脂注入速度、保圧時間、樹脂の種類等）を決定することができる。

本計測方法において、ゴム球体１１及び保持治具１２は、一般的な熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂によって構成されるものであるため、入手し易く、安価な素材によって構成可能である。従って、ひずみゲージを用いて応力を計測する従来の方法と比べてコスト的に有利である。
また、ゴム球体１１の周囲に離型剤を塗布することによって、ゴム球体１１の繰り返し使用が可能となる。

［第二実施形態］
以下、図５及び図６を参照して、本発明の第二実施形態である樹脂モールド部品の内部応力を計測する方法について説明する。
なお、第一実施形態と同じ構成のものは、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図５（ａ）に示すように、樹脂モールド前に、金属板３の表面から所定の距離を置いてセンサ体２１・２１・・・を配置する。各センサ体２１は、保持治具１２を介して所定位置に保持される。
センサ体２１・２１・・・は、ゴム球体１１・１１・・・と同様に計測エリアに配置される。
図５（ｂ）に示すように、樹脂５を熱硬化させる樹脂モールド過程において、保持治具１２は溶融して消滅するとともに、保持治具１２によって所定位置に保持されていたセンサ体２１は、樹脂５内の計測エリアに残り、硬化に起因する内部応力を受ける。すなわち、保持治具１２は、樹脂モールド部品１のモールド条件に影響を与えることがない。

センサ体２１は、樹脂５の熱硬化温度での耐熱性を有する剛体であり、図６に示すように、六面体形状を有する。センサ体２１の六面全てには、圧力センサ２２が設けられている。
センサ体２１の表面に配置される圧力センサ２２・２２・・・によって、センサ体２１にかかる三軸方向の応力を計測する。

センサ体２１には、無線にてデータ出力可能な送信部２３が内蔵されている。
各圧力センサ２２は、センサ体２１内部で送信部２３と電気的に接続され、計測結果を送信部２３に伝送する。送信部２３は、各圧力センサ２２から伝送された計測結果を無線にて出力する。送信部２３から出力された無線データを受信する受信部２４及び受信したデータを解析する解析部２５が用意されており、受信部２４によって、樹脂モールド部品１の外部でセンサ体２１による計測結果を受信し、解析部２５によって、樹脂モールド部品１の内部応力の方向及び大きさを決定する。

以上のように、樹脂モールドされた樹脂モールド部品１の内部応力を各センサ体２１の圧力センサ２２・２２・・・で計測し、その計測結果を送信部２３及び受信部２４によって外部に取り出し、解析部２５によって内部応力の方向及び大きさを決定している。
すなわち、本計測方法によれば、センサ体２１にかかる三軸方向の応力を精度良く検出することができ、ひいては樹脂モールド部品１の内部応力を精度良く計測できる。

本計測方法において、センサ体２１は、無線出力のために送信部２３を具備する。これにより、樹脂モールド部品１内に複雑な配線を引く必要がなく、樹脂モールド部品１の内部応力の計測を容易にしている。
また、六面体形状のセンサ体２１を傾けて配置すること等によって、より厳密な応力値として計測できる。例えば、予め応力の方向が分かっている部位には、センサ体２１をその方向に対応して傾けて配置することによって樹脂モールド部品１の内部応力の大きさを厳密に計測できるという利点がある。

１樹脂モールド部品
２半導体素子
３金属板
５樹脂
１１ゴム球体
１２保持治具

Claims

半導体素子を二つの金属板で挟み込み、熱硬化性樹脂で樹脂モールドして得られる樹脂モールド部品の内部応力を計測する方法であって、
外力によって変形し、かつ、前記熱硬化性樹脂の熱硬化温度での耐熱性を有する球体を前記二つの金属板の間に配置した状態で樹脂モールドし、
前記球体の変形状態を非破壊検査によって検出することによって、前記球体にかかる主応力の方向及び大きさを計測することによって、前記球体が配置される部位の内部応力を計測する樹脂モールド部品の内部応力計測方法。
前記熱硬化性樹脂の熱硬化温度以下で溶融する熱可塑性樹脂からなる保持治具を用いて、前記球体を前記二つの金属板間に保持する請求項１に記載の樹脂モールド部品の内部応力計測方法。
半導体素子を二つの金属板で挟み込み、熱硬化性樹脂で樹脂モールドして得られる樹脂モールド部品の内部応力を計測する方法であって、
直交する三軸方向の圧力を計測可能であり、かつ、計測データを無線出力可能なセンサ体を前記二つの金属板の間に配置した状態で樹脂モールドし、
前記センサ体から三軸方向の圧力に関する出力データを受信することによって、前記センサ体にかかる主応力の方向及び大きさを計測することによって、前記センサ体が配置される部位の内部応力を計測する樹脂モールド部品の内部応力計測方法。
前記熱硬化性樹脂の熱硬化温度以下で溶融する熱可塑性樹脂からなる保持治具を用いて、前記センサ体を前記二つの金属板間に保持する請求項３に記載の樹脂モールド部品の内部応力計測方法。